Universeum1：天体（极大）

玥澄

哥德堡宇宙科技博物馆涵盖的内容从极小到极大。首先看它“极大”的这一方面，宇宙、星空、航天是这所场馆最具代表性的主题。 1.“引力漏斗”首先看一个模拟的宇宙天体模型。这个互动展品叫“引力漏斗”，将几个小球以不同的速度或方向扔到这个形似漏斗的物体内，小球以自己的轨迹绕漏斗内环旋转，模拟行星依靠引力+自身切向速度稳定环绕太阳。漏斗与小球是演示引力运作原理的简易模型。依靠引力与自身运动速度，天体能够维持稳定运行轨道。太空真空环境不存在摩擦力，行星可以永久环绕太阳运转。但在这个漏斗装置中，摩擦力会持续降低小球的速度，最终小球会落入正中央的孔洞。 附录1： 1687年，艾萨克·牛顿首次用数学公式完整阐释引力。如今计算太阳系天体运行，我们依旧在使用他的公式。但牛顿理论无法适配极强引力的极端环境，比如黑洞周边区域，这时我们需要一套更完善的理论。1915年，阿尔伯特·爱因斯坦提出全新理论：广义相对论。在他的观点中，引力并非物体之间互相拉扯的拉力；恰恰相反，所有有质量的物质都会弯曲时空——空间与时间是不可分割的整体结构。物体质量越大，时空弯折程度越深。黑洞就是时空被无限弯折形成的点，任何光线、物质都无法从中逃逸。空间与时间无法拆分。当物质扭曲空间时，它同时也会扭曲时间。因此引力最强的区域，时间流逝速度会更慢；站在远处观测黑洞附近，那里的时间几乎处于静止状态。 附录2牛顿力学与万有引力牛顿力学（经典力学）的核心，就是三大运动定律 + 万有引力定律，再加上由此发展出来的一整套分析方法和数学工具。第一定律：惯性定律若无外力作用，物体将保持静止或匀速直线运动状态不变。 第二定律：加速度定律物体的加速度与所受合外力成正比，与质量成反比，方向与合外力相同。第三定律：作用与反作用定律两个物体之间的作用力和反作用力，大小相等、方向相反、作用在同一直线上。典型例子：火箭向下喷气，气体给火箭向上的推力。万有引力任意两个质点之间都存在引力，大小与它们的质量乘积成正比，与距离平方成反比。 2.人造卫星日常所说的卫星，通常指人类制造的人造设备，它们被发射至距离地球特定高度、环绕地球沿轨道运行。 卫星带来的益处日常生活里，我们一直在享用卫星提供的便利，却常常对此浑然不觉。我们收看世界各地的电视直播、借助手机或电脑进行通讯、查看次日天气预报，或是依靠手机导航系统找寻街道地址，这些场景都离不开卫星。全球化的当下，我们十分依赖卫星。除通讯与全球定位功能之外，军用、民用卫星均可承担科研与监测工作，持续输出气候、环境领域的最新监测数据。卫星能够监测自然灾害、统筹危机应对工作，还可以接收求救信号。在工业领域卫星也发挥着关键作用，现代农业便是卫星的重要应用场景之一。卫星依靠火箭发射升空，之后被送入围绕地球运转的专属轨道。轨道的布设高度，一部分取决于这颗卫星需要完成的工作任务。 注释：distress signals：遇险求救信号，多指海上、野外遇险发出的求助讯号orbit：（天体）运行轨道，呼应此前引力漏斗讲解的引力约束轨道的相关物理知识altitude此处特指卫星轨道距离地面的高度 通信现代众多科技得以运转，都离不开卫星通信。天狼星卫星就是通信卫星的一个实例：无线电信号向上传输至卫星，卫星再把信号转发回地面，信号借此可以抵达另一块大陆这类遥远区域。一网（OneWeb）属于一套全球通信系统，该系统计划让当下无法联网的数十亿人口用上宽带网络。整套方案总计要将600余颗卫星部署在距离地表约1200千米的近地轨道，将通过大约20次火箭发射完成部署。每一回火箭升空任务中，一众小型卫星会被安置在名为“分配释放器”的装置内部。火箭抵达预设轨道高度之后，释放器会如同豆荚开裂一般开启，将卫星依次送入各自的运行轨道。 注释1）. Sirius：天狼星通信卫星星座2）. OneWeb：一网，知名低轨卫星互联网项目3）. dispenser：这里特指火箭搭载卫星的舱式释放装置，类比豆荚seed pod 导航（Navigation）依托卫星工作的各类导航系统，统称全球导航卫星系统（缩写GNSS）。知名度最高的卫星导航体系是美国的导航星GPS，GPS全称即全球定位系统；这套系统起初仅供美军使用，很长一段时间里，它也是普通民众唯一可以使用的卫星导航方案。如今各式各样的导航系统之间已经实现互通协作。欧盟研发的伽利略系统由三十颗卫星组成，信号覆盖全球，这些伽利略卫星运行在距离地球表面约两万千米的轨道高度上。 注释1）. Navstar GPS：导航星GPS，就是日常熟知的美国GPS系统2）. Galileo：伽利略卫星导航系统，欧盟自研的导航星座 遥感（Remote sensing）想要远距离完成对地球的各项探测测量，卫星发挥着至关重要的作用。依靠遥感分析，我们能够获取气候相关的关键全球监测数据，天气预报的精准度也因此得到提升。现代化卫星可以实时绘制出全球气压、温度分布的三维分布图，搭载的雷达还能够穿透云层，突破云层带来的观测遮挡。哥白尼计划是欧盟推出的地球监测项目，该项目整合多方渠道的公开数据（包含大量遥感观测得到的资料）并对外共享。卫星传回的影像能够协助各国政府机构监测、研判环境变动，绘制全球气候相关问题的分布图谱。哥白尼计划动用了能够实现全球覆盖的哨兵系列卫星开展观测工作。注释. remote sensing：遥感技术，不靠近距离接触、远距离探测地表参数的观测技术. Copernicus：哥白尼对地监测计划，欧盟大型地球观测工程. Sentinel satellites：哨兵卫星，哥白尼项目专属的一系列遥感卫星 太空探索卫星为我们揭示宇宙运行规律的海量信息。哈勃望远镜就是卫星设备的典型代表，它为科学家与普通公众拍摄到了无数震撼的宇宙影像。 专用科研卫星致力于绘制暗物质与暗能量分布图，并传回遥远星系的退行速度数据，以此帮助科学家测算宇宙的膨胀速率。欧几里得望远镜便是这类设备之一，该空间望远镜项目由欧洲空间局（欧空局）研发。 环绕地球运行的最大人造卫星是国际空间站（ISS）。来自多国的宇航员长期驻守空间站开展工作。国际空间站兼具实验室与天文台功能，运行轨道平均高度400千米。它于1998年发射升空，由美国、俄罗斯、加拿大、日本以及欧洲空间局联合所有、共同运营。 不可见的宇宙辐射人眼只能感知可见光，而可见光只是完整电磁波谱里极小的一部分。宇宙中绝大多数天体活动，都会以人类肉眼无法看见波长的电磁辐射传递到地球。各类宇宙天象——恒星爆炸、吞噬周遭物质的黑洞、孕育新恒星的气体星云，都会释放全波段的电磁辐射。因此人类研发出不同类型的望远镜，用来记录不同波长的辐射信号。 　　短波辐射波长最短的辐射包括紫外线、X射线、伽马射线，这类辐射携带极高能量，大多诞生于宇宙中剧烈天体活动。地球大气层会阻挡短波辐射，因此观测这类辐射的望远镜必须送入太空、搭载在卫星轨道上运行。大气层隔绝短波辐射对人类而言是幸事，因为这类辐射会损伤人体。 光学望远镜 当我们想象天文学家举着设备望向深空时，脑海里出现的仪器就是光学望远镜——一根长长的观测筒。它的原理类似于巨型双筒望远镜：依靠一套玻璃透镜或反射镜系统收集光线，汇聚成像，让极其遥远的天体放大、亮度提升，从而被我们观测。 著名的哈勃望远镜拍摄过大量惊艳的太空画面，它是一台先进的轨道光学望远镜，如同卫星般环绕地球运行。除可见光外，哈勃还能捕捉人眼不可见的光线，例如紫外线、红外线。但地面光学望远镜存在局限：只有在无云的夜间，才能观测恒星。 射电望远镜20世纪中期，人类研发出新型观测设备：射电望远镜。它依靠巨大、造型独特的天线，探测无线电波——一种波长远长于可见光的辐射。射电望远镜和光学望远镜不同，不受光照条件约束，白天也能正常观测。在无线电波段下，天空样貌截然不同，比如太阳并不会显得格外明亮；云层也无法阻挡无线电波。但各类会发射、反射无线电波的电子设备会干扰观测，就连日常手机也不例外。因此射电望远镜通常选址在远离城市的偏远区域。 人类首张黑洞照片射电望远镜需要巨型天线，才能捕捉长波辐射、实现高分辨率，拍摄出细节清晰的影像。将多台天线组网联动，就能形成一套等效巨型天线。事件视界望远镜（EHT）项目便是如此：它整合了全球各地的射电望远镜，依托尖端计算技术，构建出一台等效地球大小的虚拟射电天线。正是这套技术，让人类成功拍摄到史上第一张黑洞影像。 全新天文时代20世纪初，阿尔伯特·爱因斯坦预言宇宙部分天体能够释放引力波，但他认为引力波信号极其微弱，人类永远无法探测。然而在2015年，科研团队首次成功探测到引力波，天文学就此迈入全新分支——引力波天文学。这门新学科能够帮助我们进一步解读宇宙大爆炸、黑洞的奥秘，还能助力人类发现从前未知的宇宙现象。